熱壓工藝對間位芳綸復合紙微結構與性能的影響

張素風 孫召霞 王 群 豆莞莞

(陜西科技大學輕工與能源學院，陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室，陜西西安，710021)

聚間苯二甲酰間苯二胺(PMIA，芳綸1313)主鏈中包括交替的苯環和酰胺基團(見圖1)，芳香環作為結構骨架，強烈的分子間作用力使其具有很好的熱性能、力學性能和化學穩定性［1］。間位芳綸復合紙由間位芳綸短切纖維和沉析纖維經濕法成形制成紙張。為了充分發揮芳綸纖維的優異性能并提高紙張的力學性能、電絕緣性和耐熱性，需要對芳綸復合紙進行熱壓。在受到高溫高壓作用過程中間位芳綸沉析纖維部分軟化并將間位芳綸短切纖維黏結在一起。因此，熱壓過程中，間位芳綸短切纖維和沉析纖維在紙張結構中的變化，對間位芳綸復合紙性能起著至關重要的作用。本實驗重點研究130 ～240℃溫度范圍內的熱壓過程對間位芳綸復合紙微觀結構的影響，包括纖維形態、纖維和漿粕之間的結構變化和間位芳綸復合紙紙張的機械強度等。

圖1 聚間苯二甲酰間苯二胺化學結構圖

1 實 驗

1.1 實驗材料

圖2 圖像分析過程圖

間位芳綸短切纖維和沉析纖維，均為國產;短切纖維的平均長度為6 mm，直徑為10 μm;沉析纖維長度或寬度在0.5 ～1.8 mm 范圍內，厚度不超過2 μm，加拿大標準游離度(CSF)為375 mL。

1.2 間位芳綸復合紙的抄造和熱壓

間位芳綸手抄紙利用濕法造紙工藝制成。間位芳綸短切纖維和沉析纖維分別在水中分散，并按2∶3 的質量比混合稀釋后，上網成形，經濕壓榨、干燥，干燥溫度為100℃。熱壓前紙張定量為116 g/m2。

間位芳綸復合紙的熱壓在三輥熱壓機上進行，熱壓速度為650 mm/min，線壓力設為15 MPa。

1.3 掃描電子顯微鏡(SEM)觀察

紙張的橫截面在液氮中低溫切割制得，然后使用S150 濺射鍍膜機將樣品噴金240 s，并用JEOL JSM-6400 掃描電鏡進行SEM 觀察，加速電壓為10 kV。空間分辨率為0.15 μm/像素，大小為1000 ×804 像素。采用同樣的方法觀察各個紙樣的表面。

1.4 間位芳綸復合紙物理性能測試

間位芳綸復合紙的厚度、緊度、抗張強度、伸長率、撕裂度均按照國家標準進行測試。每個紙樣測定3 個樣本。所有的測試都是在恒溫恒濕條件下進行。

1.5 圖像分析方法

圖像分析過程如圖2 所示。橫截面圖像的處理和分析采用圖像J軟件完成，網址為http://rsb. info.nih. gov/ij。首先，調整間位芳綸復合紙橫截面圖像，見圖2 (a)，將SEM 圖的域值轉換成二值圖像，見圖2 (b)，盡可能大地調整對比度，使纖維的外邊緣和紙張的孔隙等部位顯示為黑色，纖維中心部位顯示白色。在閾值圖中可以讀出域值，做出相對應的閾值圖和灰度直方圖，見圖2 (c)。閾值及其在總測量面積中的面積分數相對應的像素數，通過該分析軟件計算得出。

在直方圖2 (c)中，縱軸表示不同亮度等級的像素數，橫軸表示絕對亮度，數值在0 ～256 之間。灰度級為0 時表示純黑，為255 時表示純白。本實驗中，圖片中一個區域的灰度值可以用來表征短切纖維和沉析纖維的橫截面和孔隙程度。

2 結果與討論

2.1 間位芳綸復合紙橫截面及表面SEM 觀察

圖3 間位芳綸復合紙表面形態SEM 圖

圖4 間位芳綸復合紙橫截面SEM 圖

表1 熱壓后間位芳綸復合紙孔隙結構及纖維的SEM 分析結果

采用掃描電鏡對熱壓過程中紙張微觀結構變化進行分析，結果見圖3 和圖4。由圖3 和圖4 可以看到，隨著熱壓溫度的上升，紙張表面逐漸變得平滑，內部結構更加緊密。如圖3 (a)所示，未熱壓紙的表面可以清晰地看到單根短切纖維和沉析纖維游離狀態的輪廓圖。圖4 (a)紙張橫截面中短切纖維和沉析纖維隨機且松散地分布在紙張結構內，經過熱壓后，紙張被壓緊，見圖4 (b)～4 (d)，紙張表面也變為類似膜狀平滑的表面，見圖3 (b)～3 (d)。隨著熱壓溫度的升高，紙張的表面膜狀程度和緊度增加，如圖3 (c)和圖3 (d)所示。這表明沉析纖維展現出的塑性黏合性將短切纖維固著在一起［2-4］。

2.2 采用圖像分析技術分析間位芳綸復合紙孔隙結構變化

紙張孔隙結構分析是定量表征紙張結構變化的有效方法，也是評價紙張組成的一種有效補充方法。表1 所示為采用圖像分析技術對SEM圖像中的間位芳綸復合紙結構中孔隙結構及纖維相關信息分析的結果。經過熱壓后，紙張內部的孔隙率顯著下降，這與紙張緊度的增加一致。紙張內部的孔隙是由于間位芳綸沉析纖維受熱收縮引起的，這是合成纖維的共同性能［5-6］。紙張在熱壓過程中，由于受到高溫高壓的作用大部分氣體逸出、孔隙消失，只有少量孔隙依然存在，隨后當間位芳綸沉析纖維收縮時針孔形成。這些針孔的存在除引起紙張的孔隙率增加外，還可能對紙張的撕裂度，甚至絕緣性能等產生影響［2，7-8］。

2.3 熱壓過程中間位芳綸復合紙物理性能的變化

熱壓是制備間位芳綸復合紙非常重要的過程，可以大幅提高紙張的整體性能。本實驗選取熱壓溫度在130 ～240℃之間，對紙張分別進行熱壓處理。圖5 所示為熱壓前后間位芳綸復合紙的物理性能包括紙張緊度、抗張強度、伸長率及撕裂度的變化情況。

由圖5 (a)、5 (b)和5 (c)可知，間位芳綸復合紙的緊度、抗張強度、伸長率在經過熱壓后都顯著提高。熱壓溫度為130℃時，紙張緊度為未經熱壓時的4 倍，抗張強度和伸長率也分別約為未經熱壓時的5 倍和7 倍;繼續提高熱壓溫度，各性能指標的增長速率都趨于緩和。紙張緊度的增加表明紙張中短切纖維和沉析纖維被壓得更加緊密［9-10］。間位芳綸復合紙抗張強度的增加說明間位芳綸短切纖維和沉析纖維之間的黏結作用在熱壓后變得更加強烈。熱壓后更高的伸長率表明結構拉伸應變能力的提高，它可能是由紙張中熔融的纖維分子延伸運動所導致。

在圖5 (d)中，隨熱壓溫度的變化，紙張的撕裂指數變化顯示出一個與其他物理性能變化不同的趨勢。熱壓溫度為130℃時，撕裂強度約為未經熱壓時的2.2 倍。撕裂強度提高的主要原因是前面所述結構的壓實和纖維間的黏結。然而熱壓溫度繼續大幅升高會導致紙張撕裂強度下降，這可能是由于間位芳綸短切纖維被熔融部分的沉析纖維黏結而固定。撕裂強度表示撕裂紙張時所需消耗的能量，紙張結構內間位芳綸短切纖維所受的束縛，限制了撕裂應力在紙張內部的傳遞，導致撕裂強度下降［11-12］。

圖5 未經熱壓和經不同溫度熱壓的間位芳綸復合紙的物理性能

3 結 論

3.1 經過熱壓后間位芳綸復合紙的表面變得光滑平整，內部結構變得密實，間位芳綸沉析纖維展現出塑性黏合性將短切纖維固定黏結起來。熱壓過程中，高溫高壓作用使紙張結構中大部分氣體逸出，僅留存少量孔隙，圖像分析結果為孔隙率約為20%。

3.2 熱壓過程可以使間位芳綸復合紙的抗張強度、伸長率和緊度等物理性能同時得到大幅提高。當熱壓溫度為130℃時，間位芳綸復合紙的緊度、抗張強度和伸長率分別約為未經熱壓處理時的4、5 和7 倍。

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